(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱基板と、
前記放熱基板の主面上に半田層を介して接合された少なくとも１つの半導体チップと、を備え、
前記少なくとも１つの半導体チップとともに前記放熱基板の前記主面がモールド樹脂によって樹脂封止された半導体装置であって、
前記放熱基板の前記主面において前記少なくとも１つの半導体チップの配設領域を囲むように配設され、極性基を含み、曲げ強度およびガラス転移温度が前記モールド樹脂よりも大きな樹脂材で構成されたガードを備えることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記ガードは、
前記放熱基板の前記主面に対して垂直な方向に延在する本体部と、
前記本体部の両側面から突出し、前記放熱基板の前記主面に接触する面を有する突片を備える、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの半導体チップは、複数の半導体チップであって、
前記ガードは、前記複数の半導体チップのそれぞれの配設領域を囲むように配設される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの半導体チップは、複数の半導体チップであって、
前記ガードは、前記複数の半導体チップの配設領域を囲むように配設される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱基板は、
前記少なくとも１つの半導体チップの配設領域を囲むように配設されたスリット溝を有し、
前記ガードは、前記スリット溝内にその一部が挿入される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ガードは、前記放熱基板上に接着層を介して接着される、請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ガードの前記放熱基板上での高さは、
前記少なくとも１つの半導体チップと前記半田層の厚みの合計以上であって、かつ、前記ガードの上端より上の前記モールド樹脂の厚みが０．５ｍｍ以上確保される高さである、請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体を基板とする半導体素子によって構成されている、請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に電力変換装置などに使用される電力用の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用の半導体装置においては、半導体チップを放熱基板として機能する金属製のヒートスプレッダ上に搭載し、ヒートスプレッダの底面を除いて半導体チップごとモールド樹脂で封止した樹脂モールド型の構成を採ることが多い。
【０００３】
このような樹脂モールド型の半導体装置においては、ヒートサイクルが繰り返されることで徐々にモールド樹脂とヒートスプレッダとの界面部分で剥離が伸展し、最終的には半導体チップをヒートスプレッダ上に接合している半田にクラックを発生させる結果に至ることがある。
【０００４】
この場合、半導体装置の信頼性が低下して半導体装置としての機能を果たさなくなる可能性がある。そこで、ヒートスプレッダとモールド樹脂との密着性を高めるために、例えば特許文献１に開示されるように、半導体チップ周辺のヒートスプレッダの表面にディンプル加工を施し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上させる構成を採っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０８６７７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の半導体装置は以上のように構成されており、ディンプルのアンカー効果によりモールド樹脂とヒートスプレッダの接着性を高めているが、ヒートスプレッダを構成する金属材、例えば銅材とモールド樹脂との密着力は低く、ディンプル形状の鋭角な部分にモールド樹脂の応力が集中しており、今以上の広範囲な温度領域で使用すると、ヒートサイクルに対する耐久性が低下するという可能性がある。
【０００７】
一方、半導体チップについては、ＳｉＣ（炭化シリコン）などのワイドバンドギャップを有する半導体を基板として使用し、より高温での動作が可能な半導体チップの開発が進んでおり、高温動作によるヒートサイクルに対する耐久性を高めた半導体装置が求められている。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、高温動作によるヒートサイクルに対する耐久性を高めた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体装置の態様は、放熱基板と、前記放熱基板の主面上に半田層を介して接合された少なくとも１つの半導体チップとを備え、前記少なくとも１つの半導体チップとともに前記放熱基板の前記主面がモールド樹脂によって樹脂封止された半導体装置であって、前記放熱基板の前記主面において前記少なくとも１つの半導体チップの配設領域を囲むように配設され、極性基を含み、曲げ強度およびガラス転移温度が前記モールド樹脂よりも大きな樹脂材で構成されたガードを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体装置の態様によれば、ガードとモールド樹脂とが極性基の水素結合により強固に接着するので、ガードに密着したモールド樹脂は容易には剥離せず、モールド樹脂の剥離の伸展が抑制される。また、放熱基板の主面上にガードを設けることで、ヒートサイクルにより放熱基板に加わる応力を緩和して半田層にクラックが生じることを防止できる。このため、高温動作によるヒートサイクルに対する耐久性を高めた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の半導体装置の樹脂封止前の平面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の半導体装置のガードの断面形状を示す図である。
【図４】モールド樹脂の剥離が生じた状況を模式的に示す図である。
【図５】ガードの形状の変形例１を示す断面図である。
【図６】ガードの形状の変形例２を示す断面図である。
【図７】複数の半導体チップを１つのガードで囲む構成を説明する断面図である。
【図８】複数の半導体チップを１つのガードで囲む構成を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態＞
図１は、本発明に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。図１に示すように、半導体装置１００においては、放熱基板として機能する金属製のヒートスプレッダ２の主面（上面）上に、複数の半導体チップ４が半田層３によって接合されている。複数の半導体チップ４は、例えばトランジスタを含んでおり、そのエミッタ電極はアルミワイヤ１０を介してエミッタ端子９に接続されている。また、コレクタ電極は、エミッタ電極とは反対側に設けられており、半田層３を介してヒートスプレッダ２に電気的に接続され、ヒートスプレッダ２には、コレクタ端子８が接続されている。
【００１３】
ここで、半導体チップ４は、シリコン（Ｓｉ）を基板とする半導体素子によって構成されていても良いし、ＳｉＣ（炭化シリコン）などのワイドバンドギャップ半導体を基板とする半導体素子によって構成されていても良い。
【００１４】
ワイドバンドギャップ半導体によって構成されるスイッチング素子やダイオード素子などの半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、シリコン半導体を使用する場合に比べて小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体チップの小型化が可能となる。
【００１５】
ヒートスプレッダ２の半導体チップ４が搭載された側の主面には、それぞれの半導体チップ４の周囲にスリット溝ＳＬが形成され、スリット溝ＳＬ内にその一部が挿入されるように樹脂製のガード１が設けられている。ガード１は、ヒートスプレッダ２の主面に対して垂直な方向に延在しており、半導体チップ４の周囲に壁を形成している。
【００１６】
また、ヒートスプレッダ２の半導体チップ４が搭載された側とは反対側の主面（底面）上には、電気絶縁性を有するとともに、放熱性を有する絶縁シート６が接合され、絶縁シート６のヒートスプレッダ２の搭載面とは反対側の面には、保護用の銅箔７が張られている。
【００１７】
そして、半導体チップ４を含むヒートスプレッダ２の上面および側面がモールド樹脂５で封止されている。
【００１８】
なお、コレクタ端子８およびエミッタ端子９の端部は、モールド樹脂５の側面から外部に突出している。また、半導体装置１００の底面には銅箔７の表面が露出しており、露出した銅箔７をヒートシンク等の冷却器に接触するように取り付けることで、放熱を行う構成となっている。
【００１９】
図２には、樹脂封止する前の半導体装置１００を半導体チップ４側から見た場合の平面図を示しており、ガード１は半導体チップ４の周囲を個々に囲むように配設されている。なお、図２におけるＡ−Ａ線での矢視方向断面が図１に相当する。
【００２０】
図３には、ガード１の断面形状の一例を示している。なお、ガード１は半導体チップ４を囲むように形成されるので正確には左側にも同じ形状の断面が現れるが、図３においては省略している。
【００２１】
図３に示すように、ガード１の断面形状は、ガード１の矩形状の本体部ＭＢの両側面のそれぞれの中央部から、ヒートスプレッダ２の主面にかけて延在するフィレット部ＦＬを有した構成となっている。フィレット部ＦＬは、本体部ＭＢの側面部分で太く、先端に近づくにつれて細くなる形状を有し、ヒートスプレッダ２に接する側は平坦であるが、ヒートスプレッダ２に接しない側は、内側に湾曲した湾曲面となっている。
【００２２】
ここで、ヒートスプレッダ２は銅材で構成されるが、銅材とモールド樹脂５との接着部では、銅材表面に形成される酸化膜にモールド樹脂５が接着している。このため、銅材とその酸化膜とが剥離することで、モールド樹脂５のヒートスプレッダ２表面からの剥離が伸展する。
【００２３】
また、ヒートスプレッダ２上には半田層３により半導体チップ４が接合されているが、半田層３の側面にも半田の酸化膜が形成されており、半田層３とモールド樹脂５との接着部では、半田層３表面に形成される半田の酸化膜にモールド樹脂５が接着している。ここで、半田とその酸化膜との接着力は、銅材とその酸化膜との接着力よりも弱い。このため、半田とその酸化膜とが剥離することで、モールド樹脂５の半田層３表面からの剥離が伸展する。
【００２４】
また、半導体チップ２とモールド樹脂５との線膨張係数の違いにより、半田層３および半導体チップ４の側面が、モールド樹脂５の剥離の起点となる可能性がある。
【００２５】
本発明は、半導体チップ４の周囲にガード１を設けることで、ヒートサイクルによるヒートスプレッダからのモールド樹脂の剥離を抑制するものである。
【００２６】
すなわち、「-ＯＨ」や「=Ｏ」などの極性基を含み、曲げ強度およびＴｇ（非晶性樹脂のガラス転移温度）がモールド樹脂よりも大きな材質、例えばデュポン社製の６６ナイロン（登録商標）でガード１を構成することで、ガード１とモールド樹脂５との水素結合による接着を図り、モールド樹脂５の剥離を抑制する。
【００２７】
より具体的なイメージとしては、６６ナイロン（登録商標）で構成されるガード１とモールド樹脂５とが水素結合により強固に接着するので、ガード１に密着したモールド樹脂５は容易には剥離せず、また、ガード１とヒートスプレッダ２に設けたスリット溝ＳＬとは、寸法公差を考慮して設計することで、ガード１がスリット溝ＳＬにがっちりとはめ込まれることとなり、ガード１がヒートスプレッダ２から抜けることはなく、モールド樹脂の剥離の伸展が抑制されることとなる。
【００２８】
ここで、スリット溝ＳＬの寸法公差は例えば±０．０５ｍｍとし、ガード１の寸法公差は例えば±０．１ｍｍとすることで、スリット溝ＳＬの方が、ガード１よりもやや小さく形成され、そこにガード１を挿入することで、ガード１がヒートスプレッダ２から容易に抜けることはない。
【００２９】
また、ガード１の形状としては図３を用いて説明したように、ガード１の矩形状の本体部ＭＢの両側面のそれぞれの中央部から、ヒートスプレッダ２の主面にかけて延在するフィレット状のフィレット部ＦＬを有した構成となっているので、ヒートサイクルにより、モールド樹脂５およびヒートスプレッダ２に生じる応力に起因して、モールド樹脂５のヒートスプレッダ２からの剥離の伸展を確実に抑制できる。
【００３０】
この仕組みを、図４を用いて説明する。図４は、ヒートスプレッダ２がモールド樹脂５で覆われた状態において、モールド樹脂５の剥離が生じた状況を模式的に示している。図４において、ヒートスプレッダ２とモールド樹脂５との界面の一部において剥離部ＰＰが存在している。なお、剥離部ＰＰは、ガード１の内側の半導体チップ４（図示せず）を起点として発生したものとする。
【００３１】
モールド樹脂５の剥離は図中に矢印で示すようにガード１を横に押し倒す方向の力を発生させるが、フィレット部ＦＬの存在によりガード１の横方向の力に対する耐久力は格段に強化され、ガード１がスリット溝ＳＬから抜けるということはなく、モールド樹脂５の剥離の伸展はガード１により抑制される。
【００３２】
また、ヒートスプレッダ２上にガード１を設けることで、ヒートサイクルによりヒートスプレッダ２に加わる応力を緩和する効果もある。すなわち、フィレット部ＦＬを有するガード１がヒートスプレッダ２を補強する構造体として機能し、応力を緩和できる。この結果、半田層３にクラックが生じることを防止できる。
【００３３】
なお、ガード１のヒートスプレッダ２の主面上での高さは、半導体チップ４の厚さと、半田層５の厚さの合計以上であって、かつ、ガード１の上端より上のモールド樹脂５の厚みが０．５ｍｍ以上確保される高さであることが望ましい。
【００３４】
より具体的には、半導体チップ４と半田層５の厚さの合計は０．２ｍｍ〜０．４５ｍｍが想定され、モールド樹脂５の全体の厚みは５ｍｍ程度であるので、ガード１のヒートスプレッダ２の主面上での高さは０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度に設定することが望ましい。
【００３５】
ガード１の高さが高くなれば、ガード１の表面積が増えるので、モールド樹脂５が密着する面積が増え、モールド樹脂５の剥離の伸展の抑制効果が高まる。また、ガード１の高さを高くすることで、ヒートスプレッダ２に加わる応力に起因したクラックがガード１を越えて半導体チップ４に達することを防止できる。
【００３６】
また、図３を用いて説明したように、ガード１は半導体チップ４を囲む形状を有しているので、１つの方向に横方向の力が加わったとしても、ガード１全体がスリット溝ＳＬから抜ける可能性は低く、また、複数の方向に横方向の力が加わった場合には、互いの力が相殺されるので、ガード１全体がスリット溝ＳＬから抜ける可能性は低い。
【００３７】
なお、図４においては、剥離部ＰＰは、ガード１の内側の半導体チップ４（図示せず）を起点として発生したものとしているが、ガード１の外側において発生した場合でも、ガード１は同様の効果を奏する。
【００３８】
また、先に説明したように、ガード１とヒートスプレッダ２に設けたスリット溝ＳＬとを、寸法公差を考慮して設計することで、ガード１がスリット溝ＳＬにがっちりとはめ込まれるので、ガード１が、フィレット部ＦＬを有さない単純な矩形の断面形状であっても、ガード１に横方向の力が加わった場合に、簡単にスリット溝ＳＬから抜ける可能性は低い。従って、ガード１の断面形状を単純な矩形としても良い。
【００３９】
また、ヒートスプレッダ２上に搭載された複数の半導体チップ４のそれぞれの周囲にガード１を設けることで、ある半導体チップ４を起点とする剥離が、他の半導体チップ４に及ぶことを防止できる。
【００４０】
＜ガード形状の変形例１＞
ガード１の断面形状としては図３を用いて説明したように、ガード１の矩形状の本体部ＭＢの両側面のそれぞれの中央部からフィレット状のフィレット部ＦＬが延在する構成の他に、図５に示すガード１Ａのように楔状の楔部ＷＥが延在する構成としても良い。
【００４１】
すなわち、図５に示すガード１Ａの断面形状は、ガード１Ａの矩形状の本体部ＭＢの両側面のそれぞれの中央部から、ヒートスプレッダ２の主面にかけて延在する楔部ＷＥを有した構成となっている。楔部ＷＥは、本体部ＭＢの側面部分で太く、先端に近づくにつれて細くなる形状を有し、ヒートスプレッダ２に接する側が平坦であるとともに、ヒートスプレッダ２に接しない側は、所定の傾きの傾斜面となっている。
【００４２】
このような形状においても、楔部ＷＥの存在によりガード１Ａの横方向の力に対する耐久力は格段に強化され、ガード１Ａがスリット溝ＳＬから抜けるということはなく、モールド樹脂５の剥離の伸展を抑制することができる。
【００４３】
なお、ガード１のフィレット部ＦＬやガード１Ａの楔部ＷＥは一例であり、これらの形状に限定されるものではない。横方向の力に対する耐久力を高めることができるのであれば、本体部ＭＢの両側面から平板が突出してヒートスプレッダ２の主面に接触した構成でも良い。要するに、本体部ＭＢの両側面にフィレット部ＦＬや楔部ＷＥなどの突片が突出し、当該突片の表面の一部がヒートスプレッダ２の主面に接触した構成であれば良い。
【００４４】
＜ガード形状の変形例２＞
図３に示したガード１および図５に示したガード１Ａにおいては、ヒートスプレッダ２の主面内に設けたスリット溝ＳＬ内に本体部ＭＢの一部が挿入される構成となっていたが、図６に示すガード１Ｂのようにヒートスプレッダ２の主面上に接着する構成としても良い。
【００４５】
すなわち、図６に示すガード１Ｂの断面形状は、ガード１Ｂの矩形状の本体部ＭＢの両側面のそれぞれの下部から、ヒートスプレッダ２の主面にかけて延在する楔部ＷＥを有した構成となっている。楔部ＷＥは、本体部ＭＢの側面部分で太く、先端に近づくにつれて細くなる形状を有し、ヒートスプレッダ２に接する側が平坦であるとともに、ヒートスプレッダ２に接しない側は、所定の傾きの傾斜面となっている。
【００４６】
そして、本体部ＭＢの下面および楔部ＷＥの下面は、接着層１１を介してヒートスプレッダ２の主面に接着されている。
【００４７】
このような構成を採る場合にも、楔部ＷＥの存在によりガード１Ｂの横方向の力に対する耐久力は格段に強化され、ガード１Ｂがずれたり浮き上がったりすることが防止され、モールド樹脂５の剥離の伸展を抑制することができる。
【００４８】
また、ヒートスプレッダ２の主面にスリット溝ＳＬを設ける必要がないので、製造工程を簡略化できるとともに、ヒートスプレッダ２への装着が容易となる。
【００４９】
＜複数の半導体チップを１つのガードで囲む構成＞
図１および図２を用いて説明した半導体装置１００においては、ヒートスプレッダ２上に搭載された複数の半導体チップ４のそれぞれの周囲にガード１を設ける構成を示したが、この場合、スリット溝ＳＬを含めてヒートスプレッダ２上に無効領域が増えることとなる。
【００５０】
そこで、ヒートスプレッダ２上の無効領域を低減するために、図７および図８に示す半導体装置１００Ａのように、複数の半導体チップ４を１つのガード１で囲む構成を採用しても良い。
【００５１】
図７は、半導体装置１００Ａの構成を示す断面図である。図７に示すように、半導体装置１００Ａにおいては、ヒートスプレッダ２の半導体チップ４が搭載された側の主面に、複数の半導体チップ４の全体を囲むようにスリット溝ＳＬが形成され、スリット溝ＳＬ内にその一部が挿入されるように樹脂製のガード１が設けられている。ガード１は、ヒートスプレッダ２の主面に対して垂直な方向に延在しており、半導体チップ４の周囲に壁を形成している。その他の構成は、図１に示した半導体装置１００と同一であり、重複する説明は省略する。
【００５２】
図８には、樹脂封止する前の半導体装置１００Ａを半導体チップ４側から見た場合の平面図を示しており、ガード１は複数の半導体チップ４を囲むように配設されている。なお、図８におけるＢ−Ｂ線での矢視方向断面が図７に相当する。
【００５３】
無効領域を最小にすることで、半導体装置の高性能化、小型化を図ることができる。
【００５４】
なお、上記においては、ヒートスプレッダ２上の全ての半導体チップ４を１つのガード１で囲む例を示したが、これに限定されるものではなく、複数の半導体チップ４を幾つかのグループに分けて、グループ単位でガード１で囲むようにしても良い。
【００５５】
モールド樹脂５の剥離の伸展を抑制するというガード１の本来の機能を妨げなければ、ガード１の大きさは任意である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１Ａ，１Ｂ  ガード、２  ヒートスプレッダ、３  半田層、４  半導体チップ、５モールド樹脂、ＦＬ  フィレット部、ＷＥ  楔部。
【図１】
0005653228.tif 000002
【図２】
0005653228.tif 000003
【図３】
0005653228.tif 000004
【図４】
0005653228.tif 000005
【図５】
0005653228.tif 000006
【図６】
0005653228.tif 000007
【図７】
0005653228.tif 000008
【図８】
0005653228.tif 000009